工程漿液流型分析及意義

劉 皓 張思淵 袁春娥

1 工程漿液的發(fā)展

1.1 水基鉆井液的發(fā)展

鉆進(jìn)最初是使用清水作為洗井介質(zhì)。據(jù)史料記載,公元前250年左右,秦蜀郡太守李冰開鑿鹽井時,已經(jīng)采用向井內(nèi)注水的方法來排除巖屑,這也是鉆井液的最初使用。

1914年～1915年正式開始使用泥漿?！白匀荒酀{”通過實(shí)踐證明它具有攜帶巖屑、凈化井底、控制地層等作用。1937年,我國四川油礦勘探鉆井巴一井時利用噴射水流使黏土分散成漿作為鉆井液,這是我國歷史上第一次使用泥漿作為鉆井液。

由于“自然泥漿”鉆井液僅適用于淺地層及簡單地層,且具有濾失率高、易使黏土水化膨脹、對油層有損害等特點(diǎn),于是在保留其優(yōu)點(diǎn)的情況下,進(jìn)一步改善和發(fā)展了鉆井“泥漿”體系。先后發(fā)展了細(xì)分散鉆井液、粗分散鉆井液、不分散鉆井液等。但此類鉆井液具有不能控制固相含量和密度,不能解決大段泥、頁巖的井壁穩(wěn)定問題,不能滿足保護(hù)油氣層的要求等缺點(diǎn)。

從鉆井實(shí)踐中人們認(rèn)識到將固相含量控制在一個較低的范圍內(nèi)對保護(hù)油氣層極為有利,人們將聚丙烯酰胺引入鉆井液,此后聚合物水基鉆井液成為發(fā)展最迅速的一類鉆井液,并且逐漸形成了聚丙烯酰胺體系。

1.2 油基鉆井液的發(fā)展

油基鉆井液是另外一大體系,主要用于大段泥、頁巖的井壁穩(wěn)定,保護(hù)油氣層等問題中。經(jīng)歷了以原油作為洗井介質(zhì)、以柴油為連續(xù)介質(zhì)的有機(jī)鉆井液和有保水乳鉆井液、低膠型油包、低毒油包水鉆井液幾個階段的發(fā)展。近年來,全油鉆井液大量使用于定向井和水平井中。

1.3 含氣體可壓縮鉆井流體液的發(fā)展

氣體可壓縮鉆井流體液是一大類鉆井液體系。它包括空氣或天然氣、霧、泡沫和充氣鉆井流體,主要運(yùn)用于低壓易漏地層、缺水地層、水敏性地層及永凍地層中。20世紀(jì)20年代最早開始運(yùn)用,50年代泡沫流體開始研制并廣泛運(yùn)用,70年代至今進(jìn)一步發(fā)展,在壓裂方面起到巨大作用。

2 鉆井液流型分析

不同鉆井液的流變關(guān)系大體上可以分為四種理論流型,即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。鉆井液的流型主要取決于構(gòu)成鉆井液的材料組成及其它們的含量。

2.1 牛頓流型

牛頓流型的特點(diǎn)是其流變性通過原點(diǎn)的一條直線,見圖1。它表示在一定溫度和壓力條件下,牛頓粘度為一個常數(shù),可以用牛頓流變方程來表示:

其中,η為牛頓粘度或稱為動力粘度;γ為剪切速率或流速梯度。

實(shí)踐表明,氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下高粘度的油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流型。

對于不同粘度的牛頓流型,粘度越高,其斜率越大;粘度越低,斜率越小。

此外,牛頓流型除用動力粘度表示外,也可以用運(yùn)動粘度表示,即:

其中,ρ為密度;η為運(yùn)動粘度。

2.2 賓漢流型

當(dāng)外力超過一定值后,流體作為層流流動,其流變曲線呈斜直線變化,可用賓漢方程來表示:

反映流體在層流下達(dá)到動平衡(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拆散速度等于恢復(fù)速度)時,固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相摩擦力。在實(shí)際中,由于固相顆粒的高度不均勻,在表面引力和斥力作用下易形成結(jié)構(gòu),在低剪切速率下流變曲線發(fā)生偏離,形成曲線變化,當(dāng)剪切速率增加至層流變化時才呈直線變化,這種流體稱為粘塑性流體。

2.3 冪律流型

如圖1所示,冪律流型的流變曲線為通過原點(diǎn)的曲線,它們可用冪函數(shù)或者冪律模式來表示:

其中,K為稠度系數(shù);n為流型指數(shù),無量綱。

從上式可以看出,n越高或越低,曲線越彎曲,非牛頓性越強(qiáng),泥漿的 n一般在0.5以下為好。

對于 n的變化,我們可以將其分為三個小類,當(dāng) n＞1時,為膨脹流體,當(dāng) n＜1時,為假塑流體,當(dāng) n=1時,為牛頓流型。

2.4 卡森流型

在現(xiàn)實(shí)工作中,由于在極高或極低的剪切速率下,廣泛采用的賓漢模式不能精確表達(dá)出鉆井液的特點(diǎn),冪律模式雖可以較好的表達(dá)低剪切速率和中剪切速率的資料,但高剪切速率的資料仍然不準(zhǔn)確,而1979年由 Lauzon和Reed提出的卡森模式可以在低剪切速率和中剪切速率的資料的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確的預(yù)測高或極高的剪切速率下粘度的變化。

卡森模式建立的基礎(chǔ)是假定凝聚成長條的棒狀物,在剪切下特別是高剪切速率下可以分解成原始短顆粒。其是一個經(jīng)驗(yàn)公式,表示如下:

由上式可知,卡森模式斜率越大,泥漿的剪切稀釋作用越好。在實(shí)際運(yùn)用中,我們常常在較大剪切速率范圍內(nèi)把塞流、層流和紊流狀態(tài)用直線連接在一起,從而進(jìn)行泥漿的流變型分析。

3 研究漿液流變型的意義

漿液的流變型對鉆進(jìn)、排屑、孔壁穩(wěn)定、鉆孔漏失及流動阻力等均有重要的意義,理論與實(shí)踐已經(jīng)證明,泥漿粘度越高,機(jī)械鉆速越低,如清水的機(jī)械鉆速就比泥漿高。這里指的是泥漿的表觀粘度對鉆速的影響。泥漿是剪切稀釋流體,隨著剪切速率的提高粘度下降。不同的泥漿剪切稀釋作用是不同的,剪切稀釋作用好的泥漿有利于懸浮攜帶鉆屑以及穩(wěn)定孔壁等功效,在超深井、高壓噴井及金剛石巖芯鉆進(jìn)時均要求泥漿具有良好的剪切稀釋作用,以利于提高鉆速。

近代泥漿多采用高分子聚合物作為泥漿處理劑,往往變現(xiàn)為假塑流型或屈服值的假塑流型,其流變方程和流變參數(shù)與賓漢方程有很大的區(qū)別,水力損失計算也有很大區(qū)別,而且許多泥漿都屬于觸變流體,時間對其影響很大。所以到目前為止,觸變流體的變化規(guī)律仍未研究清楚。

隨著各種生產(chǎn)的發(fā)展,泥漿的用途、用量及對泥漿的要求越來越高。泥漿流變型的研究對泥漿的發(fā)展具有重要實(shí)用意義和理論研究價值,因此,對其流變型的研究也越來越受到人們的關(guān)注。

[1] 烏效鳴.鉆井液與巖土工程漿液[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2002.

[2] 黃漢仁.泥漿工藝學(xué)原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1981.

[3] 賈 鐸.鉆井液[M].北京:石油工業(yè)出版社,1980.